平潭島土地利用變化信息圖譜研究

王 亮，黃義雄

(福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院 350007)

近年來，土地利用和土地覆蓋研究一直都是地理學(xué)研究的熱點(diǎn)，研究手段逐漸多元化，其中由陳述彭院士提出的，并在許多學(xué)者中探討和發(fā)展的地學(xué)信息圖譜［1－5］成為研究土地利用變化的主要方法之一，不少學(xué)者已將信息圖譜應(yīng)用于土地利用和土地覆蓋方面的研究。地學(xué)信息圖譜是一種時(shí)空復(fù)合分析方法論［6－8］，它是基于地理信息系統(tǒng)、遙感、虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)制圖等技術(shù)為基礎(chǔ)，把“表現(xiàn)空間單元特征的圖”與“表示事件發(fā)展之起點(diǎn)與過程的譜”合二為一［9］，即用圖譜的方式表達(dá)土地利用格局演化的過程。

本文以福建省平潭縣平潭島作為研究區(qū)，以遙感影像、統(tǒng)計(jì)資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在GIS技術(shù)支持下，將土地利用與圖譜模型、數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，建立土地利用變化信息圖譜模型，為探索研究區(qū)土地利用變化成因、過程，預(yù)測未來發(fā)展變化趨勢及對環(huán)境影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域及研究方法

1.1 研究區(qū)域

平潭島地處福建省沿海中部，島嶼陸域位于北緯 25°15′至 25°45′、東經(jīng) 119°32′至 120°10′之間。東部瀕臨臺(tái)灣海峽，西部海壇海峽與福建長樂、福清隔海相望。平潭縣陸域由126個(gè)島嶼組成，面積251.4 km2，平潭島是福建省的第一大島，中國第五大島［10］。

平潭島地貌類型以丘陵和濱海平原為主，屬于南亞熱帶半濕潤海洋性季風(fēng)氣候，熱量條件較好，但降水少、風(fēng)力大、蒸發(fā)強(qiáng)。土壤類型包括6個(gè)土類、25個(gè)土屬，其中磚紅壤性紅壤土面積最大，濱海風(fēng)沙土次之。常見植物有190種，隸屬67科、139屬，森林群落均為人工林，主要是沿海地區(qū)的木麻黃林、黑松林、臺(tái)灣相思樹林等，荒山荒坡的耐旱灌叢和草本植被。人工植被、次生天然植被均呈現(xiàn)明顯的旱生特征。

1.2 數(shù)據(jù)源及圖像處理

采用2003年和2011年Landsat－7衛(wèi)星影像為主要的數(shù)據(jù)源，經(jīng)過圖像校正和增強(qiáng)處理后，結(jié)合土地利用現(xiàn)狀圖、社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及專題地圖解譯，得到平潭島的土地利用類型圖，在ARCGIS中對土地利用矢量圖進(jìn)行信息提取、空間疊加分析、自動(dòng)制圖輸出，在EXCEL中完成各類指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)運(yùn)算，建立土地利用變化信息圖譜模型，參照國家通用的土地利用現(xiàn)狀分類體系，將研究區(qū)土地利用類型合并為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域和未利用地六大類。

2 平潭島土地利用圖譜

在ArcGIS9.0軟件支持下，對土地利用矢量圖進(jìn)行信息提取、空間疊加分析可生成2003年、2011年土地利用類型信息圖 (圖1、圖2)。

圖1 2003年平潭島土地利用類型圖

根據(jù)獲取的土地利用類型圖，對各土地利用類型提取，并作2003年與2011年比較，可以看出各土地利用類型的變化趨勢以及變化范圍。

利用GIS的疊置分析功能，將2003年和2011年土地利用現(xiàn)狀圖疊置，產(chǎn)生土地利用的時(shí)空變化圖及相應(yīng)的屬性集。表1是利用空間分析方法獲得的2011年與2003年對比的各土地利用類型轉(zhuǎn)化結(jié)果。

3 平潭島土地利用信息圖譜分析

3.1 土地利用趨勢以及轉(zhuǎn)化過程分析

表1 平潭島2003～2011年土地類型面積流向(單位:hm2)

圖2 2011年平潭島土地利用類型圖

2003～2011年平潭島土地利用類型變化趨勢:耕地、草地、未利用地面積減少，建設(shè)用地、林地以及水域面積增加;耕地、林地和建設(shè)用地面積比重大，草地、水域、未利用地比重較小 (表1)。

3.1.1 耕地面積總量減少 耕地由2003年9686.25 hm2減少至2011年的7029.02 hm2，減少2657.23 hm2，平均每年減少332.15 hm2，耕地主要轉(zhuǎn)化為其他類型用地。平潭縣城區(qū)域、西南區(qū)的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地、林地和草地，其中轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地面積最大，達(dá)到 789.63 hm2，轉(zhuǎn)為林地378.63 hm2，轉(zhuǎn)為草地 291.98 hm2，轉(zhuǎn)為水域98.37 hm2，轉(zhuǎn)為未利用地153.49 hm2，其原因是城市化過程中城鎮(zhèn)、居民點(diǎn)的擴(kuò)大，退耕還林，土地退化等因素。

3.1.2 林地面積逐年增加 林地在8年內(nèi)增加了689.41 hm2，林地面積的增加主要由其他類型轉(zhuǎn)化而來，沿海平原區(qū)和山地丘陵區(qū)耕地、草地、未利用地等大面積轉(zhuǎn)化為林地，其中來源于耕地132.14 hm2、草地87.84 hm2、建設(shè)用地198.91 hm2、水域及未利用地168.86 hm2。沿海以木麻黃為主的防護(hù)林和山區(qū)水土保持林建設(shè)也使林地面積逐漸增大。

3.1.3 草地面積趨于減少 草地由2003年的1497.78 hm2減少到2011年的895.48 hm2，減少了602.30 hm2。8年內(nèi)草地主要流向耕地、林地、建設(shè)用地以及未利用地，轉(zhuǎn)化面積分別為177.18 hm2、128.92 hm2、257.80 hm2、280.53 hm2。同一時(shí)期由其他土地利用類型轉(zhuǎn)化為草地面積僅為570.66 hm2，主要來自于耕地、林地、建設(shè)用地。

3.1.4 建設(shè)用地面積顯著增加 建設(shè)用地變化動(dòng)態(tài)直接反映了平潭縣城市化過程。從2003～2011年，建設(shè)用地轉(zhuǎn)化成其他土地利用類型少，面積為166.69 hm2，而同期其他類型轉(zhuǎn)化成建設(shè)用地的總面積有1673.44 hm2，主要由耕地、林地、草地、未利用地轉(zhuǎn)化而來，分別為789.63 hm2、198.91 hm2、257.8 hm2、337.69 hm2。從圖譜上看，縣城周邊的各地，西南區(qū)的林地、水域、未利用地以及北部的林地大幅度轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地。

3.1.5 水體和未利用地相對變動(dòng)不大 水域從2003年的1557.31 hm2增加到2011年的1927.15 hm2，面積增加369.84 hm2，主要來源于沿海的水產(chǎn)養(yǎng)殖、灘涂開發(fā)、坑塘建設(shè)。未利用地由2003年的1677.13 hm2減少到2011年的698.13 hm2，面積減少979.00 hm2。隨著平潭島經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，對未利用地的開發(fā)逐漸加快，主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地、林地、草地，分別為 337.69 hm2、101.23 hm2、79.63 hm2，主要分布在平潭島西部以及周邊沿海區(qū)域。

3.2 土地利用變化空間擴(kuò)展圖譜分析

研究土地利用變化的關(guān)鍵是研究土地類型斑塊變化。土地利用類型斑塊是組成土地利用空間圖形信息的基本單元，其數(shù)量、形狀、類型、空間分布及空間組合決定區(qū)域土地利用空間格局［12］。通過對研究區(qū)土地利用類型的形狀進(jìn)行分析 (表2)，發(fā)現(xiàn)建設(shè)用地和耕地斑塊通常呈現(xiàn)直角多邊形，斑塊邊緣較為平直，這是受人類活動(dòng)影響的重要標(biāo)志;林地斑塊面積小于5 hm2時(shí)多表現(xiàn)為較規(guī)則的近矩形;當(dāng)面積在5～10 hm2時(shí)形狀趨于復(fù)雜化;當(dāng)面積＞10 hm2時(shí)多表現(xiàn)為邊緣復(fù)雜的多邊形;水域斑塊多為矩形或橢圓形，為天然湖泊和人工湖，其他土地利用類型的斑塊多為不規(guī)則形，邊緣較為曲折。

根據(jù)土地利用類型年均空間擴(kuò)展強(qiáng)度β公式［13］(β包括土地利用類型空間擴(kuò)張強(qiáng)度β1和空間收縮強(qiáng)度β2等2個(gè)指標(biāo))，計(jì)算平潭島2003年和2011年的β1和β2的數(shù)值，并根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況對擴(kuò)展強(qiáng)度進(jìn)行分級:耕地為較快收縮型，林地為較慢擴(kuò)張型，建設(shè)用地為較快擴(kuò)張型，草地為較慢收縮型，水域?yàn)橄鄬Ψ€(wěn)定型，未利用地為較慢收縮型 (表2)。

表2 土地利用斑塊形狀及空間擴(kuò)張圖譜

4 結(jié)語

土地利用變化是自然環(huán)境和人為活動(dòng)共同作用的結(jié)果，地學(xué)信息圖譜作為研究土地利用變化的新方法，為土地利用變化機(jī)理的研究開辟了一條新的途徑。利用信息圖譜來研究土地利用系統(tǒng)，能較清楚地反映出平潭島土地利用變化在空間上的分布格局及其主要趨勢。

(1)從土地利用變化及其轉(zhuǎn)化過程看:耕地、草地、未利用地減少，建設(shè)用地、林地、水域增加;耕地主要轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地、林地;林地增加主要由耕地、未利用地轉(zhuǎn)化而來;建設(shè)用地顯著增加，主要是征占用耕地、林地、未利用地，在未來的一段時(shí)間內(nèi)這種趨勢將不會(huì)發(fā)生明顯的變化，耕地資源減少與經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展、人口數(shù)量的增加勢必會(huì)產(chǎn)生矛盾。

(2)基于構(gòu)建的土地利用信息圖譜，斑塊的形狀與人類的活動(dòng)息息相關(guān):人類利用活動(dòng)強(qiáng)度越高，斑塊的形狀趨于規(guī)則，斑塊邊緣平直化;人類利用活動(dòng)強(qiáng)度越低，斑塊的形狀呈現(xiàn)復(fù)雜化，斑塊邊緣較為曲折。人為活動(dòng)逐漸成為土地利用變化的主要驅(qū)動(dòng)力因素。

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